透明なコバルト添加の二酸化チタン薄膜が磁石となる謎を解明

現代の日常生活では、情報化の波が大量に押し寄せ、インターネットや携帯電話などのIT機器が手放せません。これらの基盤となっているエレクトロニクス技術は、大規模集積回路（LSI）の材料である半導体や、ハードディスクのような磁性体材料などのデバイスによって支えられています。こうした材料は、微細化による技術革新が進んできましたが、電子の性質を利用している点は変わっていません。半導体は電子の電荷（電気を伝える性質）を利用していますが、磁性体材料は電子のスピン（磁石としての性質）を利用しており、電子が持つこれら2つの性質は全く別物として扱われてきました。近年になって、2つの性質を同時に活用した「スピントロニクス」という分野が注目され、不揮発性磁気メモリやスピントランジスタなど、新規の機能を持った素子開発が活発化してきています。

放射光科学総合研究センターの量子秩序研究グループ励起秩序研究チームらは、大型放射光施設Spring-8を活用し、このスピントロニクス材料の有力候補であるコバルト添加の二酸化チタン（Co:TiO₂）薄膜が、室温でも磁性を保つことができる起源を解明しました。硬X線（波長約0.16nm）と軟X線（波長約1nm）という2種類のX線光電子分光法で解析した結果、薄膜中を動きまわるチタン原子の3d電子が、まばらに存在するコバルト原子の3d電子のスピン状態をととのえて、物質全体が磁石としての機能を発揮することを世界で初めて突き止めました。さらに、共鳴光電子分光の結果、Co:TiO₂薄膜の表面では、金属的な性質を示すフェルミ端が存在しない半導体的な性質を持つ一方で、薄膜の内部では、フェルミ端が存在する金属的な性質を持つという、薄膜表面と内部の電気伝導特性の違いも見いだしました。

Co:TiO₂薄膜から突き止めた今回の知見は、スピントロニクス材料の材料設計やデバイス設計への指針として注目されます。